Lubricación. Generalidades

Lubricación
El propósito de la lubricación es la separación de dos superficies con deslizamiento relativo
entre sí de tal manera que no se produzca daño en ellas: se intenta con ello que el proceso de
deslizamiento sea con el rozamiento más pequeño posible. Para conseguir esto se intenta, siempre
que sea posible, que haya una película de lubricante (gaseoso, líquido o sólido) de espesor
suficiente entre las dos superficies en contacto para evitar el desgaste.
El lubricante en la mayoría de los casos es aceite mineral. En algunos casos se utiliza
agua, aire o lubricantes sintéticos cuando hay condiciones especiales de temperatura, velocidad,
etc. Históricamente es interesante señalar que únicamente con la mejora de los procesos de
fabricación de elementos metálicos (a partir de la revolución industrial) y el aumento de las
velocidades de giro de ejes y elementos rodantes se ha podido obtener los valores de
disponibilidad que actualmente tenemos con ellos.
Objetivos y campos de aplicación
El objetivo de la lubricación es reducir el rozamiento, el desgaste y el calentamiento de las
superficies en contacto de piezas con movimiento relativo. La aplicación típica en ingeniería
mecánica es el cojinete, constituido por muñón o eje, manguito o cojinete.
Campos de aplicación:
• Cojinetes del cigüeñal y bielas de un motor (vida de miles de Km.).
• Cojinetes de turbinas de centrales (fiabilidad del 100%). Los factores a considerar en diseño
son técnicos y económicos:
• Cargas aplicadas y condiciones de servicio.
• Condiciones de instalación y posibilidad de mantenimiento.
• Tolerancias de fabricación y funcionamiento; vida exigida y vida útil.
• Costos de instalación y mantenimiento.
La lubricación por película fluida ocurre cuando dos superficies opuestas se separan
completamente por una película lubricante y ninguna aspereza está en contacto. La presión
generada dentro el fluido soporta la carga aplicada, y la resistencia por fricción al movimiento se
origina completamente del cortante del fluido viscoso. El espesor de la película lubricante depende
en gran parte de la viscosidad del lubricante tanto en el extremo alto como bajo de la temperatura.
 Superficies Concordantes
Las superficies concordantes se ajustan bastante bien una con otra con un alto grado de
conformidad geométrica, de manera que la carga se transfiere a un área relativamente grande. Por
ejemplo el área de lubricación para una chumacera será de 2π por el radio por la longitud. El área
de la superficie que soporta una carga permanente generalmente constante mientras la carga se
incrementa.
Fig. 1 Chumacera y manguito
La chumacera con lubricación de película fluida representada en la figura 1 y los cojinetes
deslizantes tienen superficies concordantes. En las chumaceras la holgura radial entre el cojinete y
el manguito es por lo general la milésima parte del diámetro del cojinete; en los cojinetes
deslizantes la inclinación de la superficie de estos respecto al rodillo de rodadura suele ser muy
rara. Un ejemplo de superficie concordante es la junta de la cadera del ser humano.
 Superficies no Concordantes
Muchos elementos de máquinas lubricados por una película fluida tienen superficies que no
concuerdan entre sí. Entonces un área pequeña de lubricación debe soportar todo el peso de la
carga. Por lo general el área de lubricación de una conjunción no concordante es 3 veces menor
que la magnitud que la de una superficie concordante. El área de lubricación entre superficies no
concordantes se agranda bastante con el incremento de carga; pero aun así es más pequeña que
el área de la lubricación entre las superficies concordantes. Ejemplos de superficies no
concordantes son el acoplamiento de los dientes de un engranaje, el contacto entre levas y
seguidores, y también los cojinetes de elementos rodantes.
Fig. 2 Representación de superficies no concordantes
Tipos de Lubricación
Lubricación Hidrodinámica
La lubricación hidrodinámica se caracteriza en superficies concordantes con una
lubricación por película fluida. En este tipo de lubricación las películas son gruesas de manera que
se previene que las superficies sólidas opuestas entren en contacto. Con frecuencia se la llama la
forma ideal de lubricación, porque proporciona baja fricción y alta resistencia al desgaste. La
lubricación de las superficies sólidas se rige por las propiedades físicas del volumen del lubricante,
especialmente de la viscosidad; por otra parte, las características de fricción se originan puramente
del cortante del lubricante viscoso. Una presión positiva se desarrolla en una chumacera o en un
cojinete de empuje lubricados ambos hidrodinámicamente, porque las superficies del cojinete
convergen, y su movimiento relativo y la viscosidad del fluido separan las superficies. La existencia
de una presión positiva implica que se soporta la aplicación de una carga normal.
Generalmente la magnitud de la presión que se desarrolla es menor que 5 Mpa y no es lo
suficientemente grande para causar una deformación elástica significativa en las superficies. En un
cojinete lubricado hidrodinámicamente el espesor mínimo de la película es función de la carga
normal que se aplica W, de la velocidad ub, de la viscosidad absoluta del lubricante η0 y de la
geometría (Rx y Ry). En la figura 3 se representa características de la lubricación hidrodinámica. El
espesor mínimo de película hmin como una función ub y W para el movimiento deslizante se
obtiene mediante la ecuación 1: Donde el espesor mínimo de la película normalmente excede 1
μm.
Fig. 3 Lubricación hidrodinámica
Lubricación Elastohidrodinámica (EHL)
Este es un tipo de lubricación que desde su descubrimiento por los profesores británicos
Dowson Duncan y Higginson Gordon en la década de los años 50’s marcó el verdadero comienzo
a la solución de los problemas de desgaste en mecanismos que funcionaban sometidos a
condiciones de altas cargas y bajas velocidades y que hasta entonces se manejaban como
mecanismos lubricados por película límite o fluida. La lubricación EHL se presenta en mecanismos
en los cuales las rugosidades de las superficies de fricción trabajan siempre entrelazadas y nunca
llegan a separarse. En este caso las crestas permanentemente se están deformando elásticamente
y el control del desgaste y el consumo de energía depende de la película adherida a las
rugosidades. Se podría denominar esta película como límite pero de
(hmin)≈(ub / W ) ^ ½ Ec. 1 nas características de soporte de carga y de resistencia al desgaste
mucho más elevadas que las que forma la película límite propiamente dicha. En la lubricación EHL
la lubricación límite es permanente, o sea que no hay mucha diferencia entre las condiciones de
lubricación en el momento de la puesta en marcha del mecanismo y una vez que este alcanza la
velocidad nominal de operación.
La definición de la lubricación Elastohidrodinámica se puede explicar así: Elasto:
elasticidad, o sea que la cresta de la irregularidad en el momento de la interacción con la cresta de
la otra superficie se deforma elásticamente sin llegar al punto de fluencia del material;
Hidrodinámica, ya que una vez que ocurre la deformación elástica la película de aceite que queda
atrapada entre las rugosidades forma una película hidrodinámica de un tamaño microscópico
mucho menor que el que forma una película hidrodinámica propiamente dicha. En la lubricación
hidrodinámica el espesor de la película lubricante puede ser del orden de 5 μm en adelante,
mientras que en la EHL de 1 μm o menos. Normalmente esta lubricación está asociada con
superficies no concordantes y con la lubricación por película fluida.
Lubricación Marginal
En la lubricación marginal los sólidos no están separados por el lubricante, los efectos de la
película fluida son insignificantes y existe un contacto de las asperezas importante. El mecanismo
de lubricación por contacto se rige por las propiedades físicas y químicas de las películas delgadas
de superficie de proporciones moleculares. Las propiedades volumétricas del lubricante tienen
menor importancia y el coeficiente de fricción es esencialmente independiente de la viscosidad del
fluido. Las propiedades de los sólidos y la película del lubricante en las interfaces comunes
determinan las características de la fricción. El espesor de las películas de superficie varía entre 1
y 10 nm, dependiendo del tamaño molecular. La Fig. 4 ilustra las condiciones de película fluida en
la lubricación marginal. Las pendientes de la superficie y los espesores de la película se
encuentran magnificados por fines didácticos.
Fig. 4 Condiciones de película que se requieren para la lubricación marginal.
En la Fig. 5 se muestra el comportamiento del coeficiente de fricción en los diferentes
regímenes de lubricación. El coeficiente de fricción medio se incrementa hasta un total de tres
veces más al pasar del régimen hidrodinámico, al elastohidrodinámico, al marginal y al sin
lubricación.
Fig. 5 Diagrama de barras que muestra los coeficientes de fricción para varias condiciones
de lubricación
La Fig. 6 muestra la tasa de desgaste en los varios regímenes de lubricación determinada
por la carga de operación. En los regímenes hidrodinámicos y elastohidrodinámicos existe poco o
ningún desgaste pues no hay contacto de asperezas. En el régimen de lubricación marginal, el
grado de interacción de asperezas y la tasa de desgaste se incrementan a medida que la carga
aumenta. La transición de lubricación marginal a una condición no lubricada se distingue por un
cambio drástico en la tasa de desgaste. A medida que se incrementa la carga relativa en el
régimen no lubricado la tasa de desgaste se incrementa hasta que se presentan estrías o cuando
ocurre el agarrotamiento y el elemento de maquina ya no opera adecuadamente. La mayoría de las
maquinas no operan por mucho tiempo sin alguna lubricación con la consecuencia inmediata de
una falla de los elementos involucrados.
La lubricación marginal se utiliza en los elementos de máquinas con cargas pesadas y
bajas velocidades de operación, donde es difícil obtener una lubricación por película fluida. Como
ejemplo clásico tenemos el funcionamiento de las bisagras de las puertas que utilizan esta
lubricación.
Fig. 6 Rapidez del desgaste para varios regímenes de lubricación
Lubricación Mixta
La grafica generada por un rugosímetro tal como lo muestra la Fig. 7 una línea media de
referencia. Este sistema se basa en la selección de la línea media como centroide del perfil. De
esta forma las áreas por encima y debajo de esta línea son iguales, de manera que el promedio zi
es cero. Es una condición intermedia entre las películas límite e hidrodinámica, en la cual un buen
porcentaje de las crestas de las dos superficies interactúan presentándose la película límite y otras
ya están separadas en las cuales la película límite no desempeña ninguna labor. En lubricación
mixta el desgaste y el consumo de energía dependen tanto de las características de la película
límite como de la resistencia a la cizalladura de la película fluida y de su estabilidad (IV).
Si las presiones en los elementos de máquinas lubricados resultan ser demasiado altas
(alta carga) o las velocidades de operación son demasiado bajas, la película del lubricante se
dispersa; existe algún contacto entre asperezas y entonces ocurre este tipo de lubricación. El
comportamiento de la conjunción en un régimen de este tipo se rige por una combinación de
efectos marginales y de película fluida. La interacción parcial ocurre entre una o más capas
moleculares de películas de lubricación marginal. La acción parcial de la lubricación de película
fluida se desarrolla en el volumen del espacio entre los sólidos. El espesor promedio de la película
en una conjunción de este tipo es menor a una micra pero mayor a 0.01 micras. Es importante
reconocer que la transición de la lubricación hidrodinámica a la mixta no ocurre instantáneamente a
medida que la severidad de la carga se incrementa, sino que las presiones dentro del fluido que
llena el espacio entre los sólidos opuestos soportan una proporción decreciente de la carga. A
medida que ésta se incrementa, la mayor parte la soporta la presión de contacto entre las
asperezas de los sólidos. Además el régimen de lubricación para superficies concordantes va
directamente de la lubricación hidrodinámica a la mixta.